低压扩散炉的密封系统及密封方法与流程

本发明涉及半导体集成电路制造领域，具体地，涉及一种低压扩散炉的密封系统及密封方法。

背景技术：

随着晶体硅太阳能电池尺寸更大、厚度更薄和方块电阻值要求越来越高，传统闭管扩散炉粗劣的工艺水平已经不能满足要求，而低压扩散技术优势非常明显。低压工艺中(工艺压力的范围是50mbar-200mbar)的低杂质源饱和蒸汽压提高了杂质的分子自由程，稳定的真空气流大幅提升了方块电阻的阻值和均匀性，并增倍提升了产量，是高品质扩散的首选与环境友好型的生产方式。与传统闭管扩散炉相比，低压扩散炉在方块电阻均匀性和功耗上优势明显。

由于对高温(大于800℃)以及不能引入金属离子和有酸腐蚀的严苛热扩散条件，传统常压闭管扩散炉的炉门使用了单层石英炉门，反应腔室也是石英材料，在炉口处石英对石英接触密封。这种结构简单可靠，耐酸耐高温，密封性能一般，基本满足常压闭管扩散的工艺要求。

但在低压环境下，由于真空环境的小气流特点，真空控制系统要求炉门密封性更好。大量测试和使用发现，传统单层石英对石英的结构在低压扩散炉上压升率不合格的机率很高，石英炉门粘连情况频繁，几乎每10天左右就要维护一次，明显增大了工作量，降低了设备可靠性。

低压扩散炉的炉门密封是半导体装备制造业的难题。由于热扩散要求温度高达850℃，反应物具有酸腐蚀性，并且具有不能让反应物接触金属等苛刻条件，因此炉门密封不能使用不锈钢等金属材质，和真空接触的部分需要耐偏磷酸、正磷酸的酸腐蚀，并且需要耐高温；同时在真空环境下，工艺要求的真空系统压升率更小，这意味着要求炉门的密封性能更好。此外，由于反应物在低于350℃附近时会凝结成固态物质粘连在炉门密封结合处附近，这极大降低了炉门的密封性能，降低真空控制系统的可靠性，导致工艺质量严重下降。

现有技术中扩散炉炉口密封结构如图1所示，采用简单的单层石英炉门直接接触反应腔室石英管管口。在大产能低压扩散炉的使用场合中，上述结构存在下列致命问题：

(1)密封性能差：真空导致反应腔室内和外界环境压差更大，单层结构不能实现可靠且较低的压升率；

(2)炉门粘连情况频繁：低压扩散反应腔室内反应物浓度比常压高，由于单层门由内到外温度骤降，大量反应物在炉口附近冷凝为固态五氧化二磷，遇空气中的水蒸气变为液态粘稠状偏磷酸，粘连炉门，导致密封性能变差，甚至炉门损坏。

因此，有必要开发一种能够解决低压扩散炉的炉门密封问题的密封系统及密封方法。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种低压扩散炉的密封系统及密封方法。

根据本发明的一方面，提出一种低压扩散炉的密封系统。该密封系统用于具有内口和外口的石英管，包括：

内层炉门和外层炉门，所述内层炉门和所述外层炉门被配置为能够分别与石英管的内口和外口接触形成密封，以使所述内层炉门和所述外层炉门之间的空间形成封闭的夹层，并且所述内层炉门和所述外层炉门通过弹性部件连接；

进气管，所述进气管被配置为贯穿所述外层炉门，用于向所述夹层注入气体；

出气管，所述出气管被配置为贯穿所述外层炉门，用于排出所述夹层的气体。

优选地，所述内层炉门为石英门，所述外层炉门为金属门。

优选地，所述密封系统还包括密封圈，其镶嵌在所述外层炉门的边缘，所述外层炉门通过所述密封圈与所述石英管的外口接触；所述弹性部件用于在所述外层炉门通过所述密封圈与所述外口接触时，向所述内层炉门施加压紧到所述内口的力。

优选地，所述外层炉门内部具有冷却水流通通道，并且所述外层炉门上具有用于使冷却水进入所述冷却水流通通道的水冷进水口，以及用于使冷却水从所述冷却水流通通道排出的水冷出水口；所述冷却水流通通道贴近所述密封圈设置，用于降低所述密封圈的温度。

优选地，所述进气管上设置有第一控制阀以及气体质量流量控制器。

优选地，所述出气管上设置有真空泵和第二控制阀。

优选地，在所述外层炉门与所述第二控制阀之间的出气管上设置有过滤冷凝器，用于对所述出气管中的气体进行缓冲和过滤。

优选地，在所述外层炉门和所述过滤冷凝器之间的出气管上设置有压力传感器。

根据本发明的另一方法，提出一种低压扩散炉，包括：

作为反应腔室的石英管，所述石英管的开口端设有内口和外口，所述外口环绕在所述内口的外侧；以及

如上所述的低压扩散炉的密封系统，用于密封所述石英管的开口端。

根据本发明的又一方面，提出一种低压扩散炉的密封方法，其利用如上所述的密封系统，该密封方法包括：

当所述夹层的压力低于预设压力范围的下限值时，通过所述进气管向所述夹层中注入气体；当所述夹层的压力高于预设压力范围的上限值时，通过所述出气管排出所述夹层的气体。

本发明的有益效果在于：

1、具有通过弹性部件连接内层炉门和外层炉门的双层炉门结构，通过向双层炉门与石英管形成的封闭夹层注入气体，使得夹层压力高于反应腔室压力以向内层炉门提供预压紧力，保证了内层炉门和反应腔室的接触的可靠性，从而提高了低压扩散炉炉门密封性能；

2、双层炉门的设计使温度从反应腔室到外界环境具有过渡区域，从根本上减少了扩散反应凝结量，从而降低了炉门粘连的频率；

3、夹层流动的气流可以将反应腔室泄露的极少量反应物及时抽走，进而保证了双层炉门的清洁能力。

本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出现有技术中扩散炉炉口密封结构；

图2示出根据本发明的示例性实施例的低压扩散炉的密封系统的结构图。

附图标记说明：

10、反应腔室，11、石英管的内口，12、石英管的外口，20、单层石英炉门，21、内层炉门，22、外层炉门，23、弹性部件，24、进气管，25、出气管，31、密封圈，32、水冷进水口，33、水冷出水口，34、第一控制阀；35、真空泵，36、气体质量流量控制器，37、过滤冷凝器，38、第二控制阀，39、压力传感器。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供一种低压扩散炉的密封系统，其用于具有内口和外口的石英管。该密封系统包括：

内层炉门和外层炉门，内层炉门和外层炉门被配置为能够分别与石英管的内口和外口接触形成密封，以使所述内层炉门和所述外层炉门之间的空间形成封闭的夹层，并且所述内层炉门和所述外层炉门通过弹性部件连接；

进气管，进气管被配置为贯穿所述外层炉门，用于向所述夹层注入气体；

出气管，所述出气管被配置为贯穿所述外层炉门，用于排出所述夹层的气体。

具有内口和外口的石英管被称为喇叭口石英管，并且喇叭口石英管的内口和外口中均经过高精度研磨；包括内层炉门和外层炉门的炉门结构被称为双层炉门。

在内层炉门和外层炉门分别与石英管的内口和外口接触时，也即反应腔室的炉门关闭时，内层炉门、外层炉门与石英管的内口和外口形成密封，以使内层炉门和外层炉门之间的空间形成封闭的夹层。通过向该夹层中注入气体，通常为惰性气体，例如氮气，能够使夹层的压力高于反应腔室的压力，以向内层炉门提供预压紧力，使内层炉门压紧到石英管的内口，从而提升了反应腔室的炉门的密封性和可靠性。此外，双层炉门形成的夹层作为反应腔室和外界环境的缓冲区域，使炉口处的温度降低速率更慢，从而大幅度减少了反应物在炉门附近的凝结，从根本上改善了炉门粘连问题。

内层炉门和外层炉门通过弹性部件连接，在外层炉门通过与外口接触时，向内层炉门施加压紧到内口的力。该弹性部件可以是耐高温弹簧或者具有弹性的金属弹片，其既起到连接的作用，也起到支撑的作用，避免内层炉门被撞击，保证了内层炉门和外层炉门的机构稳定性。

在双层炉门关闭过程中，内层炉门首先接触到喇叭口石英管的内口，然后炉门继续关闭，弹性部件动作，外层炉门继续前进，直到外层炉门接触到喇叭口石英管的外口，此时弹性部件提供给内层炉门一个预压紧力，内层炉门压紧压口；在双层炉门打开过程中，外层炉门先向外动作，离开喇叭口石英管的外口，然后内层炉门离开喇叭口石英管的内口中，弹性部件恢复自然状态。当达到安全距离后，双层炉门旋转远离喇叭口石英管。

在一个示例中，内层炉门为石英门，外层炉门为金属门。由于内层石英门与石英管是相同的石英材质，因此内层石英门可以与喇叭口石英管的内口直接接触。而外层炉门采用金属材质，便于对其进行加工制造。

外层金属门优选通过镶嵌在其边缘的密封圈与喇叭口石英管的外口接触，以实现更好的密封效果。该密封圈可以是耐高温的橡胶类密封圈，具有一定弹性。优选表面光滑的密封圈，以进一步加强密封性能。

在一个示例中，外层金属门内部具有冷却水流通通道，其环绕外层金属门一圈，并贴近密封圈的位置，以起到对密封圈进行降温的作用。并且，外层金属门上具有水冷进水口和水冷出水口，以使冷却水进入冷却水流通通道以及使冷却水流出该通道。同样地，该水冷进水口和水冷出水口也贴近密封圈设置。

在双层炉门处于打开状态时，在通过冷却水对密封圈进行冷却的同时，还可以同时向双层炉门的夹层通入一定量的惰性气体，以进一步冷却密封圈。

通过双层炉门结构设计以及外层金属门通过密封圈与喇叭口石英管外口接触，能够增强该密封系统的密封效果。

本领域技术人员应当理解，石英管和内层炉门的石英材料也可以使用碳化硅材料或其他适合的材料进行替代。

在一个示例中，在进气管上设置有第一控制阀以及气体质量流量控制器，以控制进气管向内层炉门与外层炉门之间的夹层注入气体及注入气体量。该第一控制阀优选为气动阀。

在双层炉门处于关闭状态时，通过将第一控制阀打开，向内层炉门、外层炉门分别与石英管的内口、外口接触形成的封闭夹层中注入气体，通常为惰性气体，例如氮气，并通过气体质量流量控制器控制注入夹层的气体量，能够使炉门夹层的压力达到设定范围，使炉门夹层的压力比反应腔室的压力稍高，以给内层炉门预压紧力以使其压紧内口，使内层炉门与反应腔室的接触更加紧密可靠。

在一个示例中，在出气管上设置有真空泵和第二控制阀。在双层炉门处于关闭状态时，通过真空泵的抽吸作用抽取夹层中的气体，使气体从排气管中排出，能够将炉门夹层的压力降低；通过在真空泵与外层炉门之间设置第二控制阀，能够夹层中气体的排出进行控制。当夹层中的压力过高时，通过打开第二控制阀，使真空泵抽取夹层中的气体，能够将炉门夹层的压力拉低到设定范围内。

在双层炉门处于关闭状态时，可以同时打开进气管上的第一控制阀和出气管上的第二控制阀，并使气体质量流量控制器和真空泵同时作用。通过调节气体质量流量控制器的控制量，使真空泵在抽取夹层空气的同时，进气管同时向夹层注入气体，从而能够使夹层的压力维持在设定范围内。

在一个示例中，在外层炉门与所述第二控制阀之间的出气管上设置有过滤冷凝器，用于对出气管中的气体进行缓冲和过滤。过滤冷凝器(可带滤芯，也可不带滤芯)可以增加炉门夹层的稳定性，避免了在对夹层充气和断气过程中，双层炉门夹层的压力大范围波动并形成有效的压力差，同时防止气体倒冲将尾气中的残留物带入炉门夹层。

在一个示例中，在外层炉门和过滤冷凝器之间的出气管上设置有压力传感器，以检测炉门夹层中的气体压力。当压力传感器检测到炉门夹层压力低于预设压力范围的下限值时，第一控制阀打开以通过进气管向夹层中注入气体；当压力传感器检测到炉门夹层压力高于预设压力范围的上限值时，第二控制阀打开以通过出气管排出气体。

本发明实施例还提供一种低压扩散炉，包括：

作为反应腔室的石英管，该石英管的开口端设有内口和外口，外口环绕在所述内口的外侧；以及

如上所述的低压扩散炉的密封系统，用于密封石英管的开口端。

本发明实施例还提供一种低压扩散炉的密封方法，利用如上所述的密封系统，该密封方法包括：当夹层的压力低于预设压力范围的下限值时，通过所述进气管向夹层中注入气体；当夹层的压力高于预设压力范围的上限值时，通过出气管排出气体。

在夹层的压力低于预设压力范围的下限值时，通过进气管向夹层中注入气体，能够提高夹层的压力；当夹层的压力高于预设压力范围的下限值时，通过出气管排出夹层中的气体，能够降低夹层的压力。利用通过进气管注入气体和通过出气管排出气体的配合，能够使夹层压力维持在在设定范围内，使夹层的压力比反应腔室的压力稍高，以给内层炉门预压紧力，使内层炉门与反应腔室的接触更加紧密可靠。

实施例

图2示出根据本发明的示例性实施例的用于低压扩散炉的密封系统的结构图。如图2所示，该密封系统用于具有内口11和外口12的石英管，该石英管位于反应腔室10的出口处。该密封系统包括：

内层炉门21和外层炉门22，内层炉门21和外层炉门22被配置为能够分别与石英管的内口11和外口12接触形成密封，以使内层炉门和外层炉门之间的空间形成封闭的夹层，并且内层炉门21和外层炉门22通过弹性部件23连接；

进气管24，进气管24被配置为贯穿外层炉门22，用于向内层炉门21和外层炉门22之间的夹层注入气体；

出气管25，出气管25被配置为贯穿外层炉门22，用于排出夹层的气体。

其中，内层炉门21为石英门，外层炉门22为金属门。

该密封系统还包括密封圈31，其镶嵌在外层炉门22的边缘，外层炉门22通过密封圈31与石英管的外口12接触；弹性部件23用于在外层炉门22通过密封圈31与外口12接触时，向内层炉门21施加压紧到内口11的力。

为金属门的外层炉门22的内部具有冷却水流通通道(图2中未示出)，并且外层炉门22上具有用于使冷却水进入冷却水流通通道的水冷进水口32，以及用于使冷却水从冷却水流通通道排出的水冷出水口33；冷却水流通通道贴近密封圈31设置，用于降低密封圈31的温度。

进气管24上设置有第一控制阀34以及气体质量流量控制器36，以控制进气管24向内层炉门21与外层炉门22之间的夹层注入气体及注入气体量。

出气管25上设置有真空泵35和第二控制阀38，以控制出气管排出内层炉门21与外层炉门22之间的夹层中的气体。

在外层炉门22与第二控制阀38之间的出气管25上设置有过滤冷凝器37，用于对出气管25中的气体进行缓冲和过滤。

在外层炉门22和过滤冷凝器37之间的出气管25上设置有压力传感器39，以检测内层炉门21与外层炉门22之间的夹层中的气体压力。

根据本示例性实施例的用于低压扩散炉的密封方法利用上述密封系统，该密封方法包括：

当内层炉门21与外层炉门22之间的夹层的压力低于预设压力范围的下限值时，通过进气管24向夹层中注入气体；当夹层的压力高于预设压力范围的上限值时，通过出气管25排出夹层的气体。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。